基于GIS的三维数字燕郊的设计与实现

张 震,黄 猛

(防灾科技学院,河北三河065201)

基于GIS的三维数字燕郊的设计与实现

张 震,黄 猛

(防灾科技学院,河北三河065201)

利用GIS技术对城市信息(包括空间信息和属性信息)进行综合管理,可以有效提高城市的管理水平。本文阐述了基于三维可视地理信息系统软件supermap deskpro,实现数字燕郊的三维建模及虚拟漫游,并就有关技术问题进行了讨论。

数字燕郊;supermap deskpro;三维建模

一、引言

数字城市是指数字信息化的城市,包括信息的获取、处理和应用,将获得的城市数据用计算机与应用模型结合起来,在计算机系统中重现真实的城市[1]。数字城市的内容包括城市设施的数字化、城市漫游智能化、可视化等方面,它可以对过去进行反演、对现实进行决策、对未来进行预测,对城市发展规划和城市管理都将发挥重大作用。

近年来,随着3D GIS技术的发展,把3D GIS技术引入数字城市的研究为城市的规划和设计提供了一种新的手段。三维城市系统可以有力地支撑城市应急指挥、安全保卫等部门的核心业务,而且在辅助科学决策等方面都能起到重要作用。

本文以建设发展中的三河燕郊为模型,探索建立基于GIS的三维数字燕郊管理系统,为该地区的日常工作运行及管理决策提供支持,为职能部门进行信息管理、市容规划等提供参考。

二、三维数字燕郊系统的设计与实现

(一)系统建设的软硬件介绍

三维数字燕郊系统需要处理许多空间数据,系统的数据量大,结构比较复杂。为了使系统有一个较佳的运行环境和性能,系统的软硬件环境配置要达到一定的要求[2]。

1.硬件要求。CPU要求Dual Core 2.4GHz以上,内存在2G或以上,显存在512M或以上。

2.软件要求。拥有Microsoft Windows XP SP2及以上版本,以及SuperMap DeskPro 6。

(二)系统开发的流程

三维数字燕郊的制作主要是完成三维建模和虚拟场景漫游两部分的工作,其制作流程如图1所示。

图1 三维数字燕郊的制作流程

(三)数据库建设

数据是GIS的基础,燕郊地理数据库由两部分组成:基础地理数据和属性数据[3]。

1.校园基础地理数据。建设数字燕郊首先要对燕郊空间信息建立清晰的模型,通过对系统的需求进行分析,采用面向对象的方法,将燕郊空间数据按其空间特征进行分层组织,细分为点、线、面等实体类型,把与地理空间有关的对象抽象为楼房建筑、道路、树木、草地和管线等通用概念[4],具体包括:(1)楼房建筑物,包括居民楼、办公楼、图书馆、医院、学校和公共设施的位置以及房屋结构等;(2)树木草地,反映燕郊树木、绿地、草坪的种类、分布及覆盖面积等;(3)道路,反映燕郊的各主要道路情况,包括道路位置、走向、路面宽度及坡度等;(4)管线、设施,反映燕郊的电线电缆、下水管道、煤气管道及校园网络线路的走向、水井位置、管道分布等; (5)文字注记,要对燕郊的各地理实体标注文字及注记,如楼房名称、道路名称等。

经过这样的数据信息划分,用户可以根据关注的重点决定哪些图层以高亮度显示并进行专门的操作,从而方便实际的管理。

2.燕郊属性数据。燕郊信息管理系统要处理两方面的数据,即地理空间数据和与之对应的属性数据。例如,对于居民楼,利用测量方法可以获得教学楼地理位置、高度、面积等空间信息,为了更全面反映教学楼,还必须了解居民楼的房间分布、楼层平面图等[5]。对于属性数据,可以到相关部门及职能科室去调查采集。燕郊属性数据要包括居民信息数据库、职工人事信息、区域人口、公司职能等,这些数据来源于各相关部门,经过整理后要形成完整的、消除冗余的数据库。

需要强调的是,数据是系统建设中的重要组成部分,是燕郊地理信息系统建设的灵魂和生命。在数据建设中需要注意以下问题:(1)在系统建设初期,应根据系统需求确定数据质量,如果数据的质量不能满足系统需要,会直接影响系统的可用性和准确性;(2)使用GIS技术管理校园地形图,空间数据繁多,在数据组织方面,力求使冗余数据得到控制,使数据层次清晰、结构合理;(3)系统开发的过程也是对数据进行处理和分析的过程,系统建成后,还需要对数据进行维护和更新。

(四)投影方式选取及精度控制

我们将2007年绘制的燕郊1∶10 000的高精度彩色地图扫描到计算机中,作为数字化的底图。扫描完成后的栅格图导入软件后,首先要对栅格图进行投影(配准),这就要考虑选取扫描投影方式,控制投影精度。

现在国内运用GIS的行业在选择投影方式时,多数选择Beijing1954的高斯克里格投影,因此,我们也选用该投影并建立对应的投影系。建立投影系时要注意设定好投影系的参数,高斯投影中最重要的是椭球面的长短半轴燕郊所处地的中央经线,椭球面的长短半轴参考Krasovsky 1940椭球面。中央经线根据高斯公式L0=(6(int)(1+L/6)-3)(L0为中央经线,L为当地的经度)计算出燕郊的中央经线为E117°。接下来是该投影,我们在G oogle地球上找了7个点作为控制点进行配准,并记录下来这7个点的经纬度坐标,然后利用以下高斯正算公式将经纬度坐标转化为高斯投影坐标。

然后带入数计算得到第一个控制点的结果为:

X=483311.990888

Y=4429816.305660

按照上述过程将7个控制点转化后得到以下结果:

E116°48′16.47″ N40°0′6.18″

E116°48′25.18″N39°57′51.45″

E116°48′30.00″N39°56′51.43″

E116°46′14.55″N39°58′11.66″

E116°47′16.68″N39°56′28.28″

E116°51′15.55″N39°57′43.18″

E116°50′31.49″N39°56′43.63″

经过高斯公式转换后坐标为:

X(m) Y(m) 483311.990888 4429816.305660 483509.606015 4425660.212533 483619.978024 4423808.910685 480410.946069 4426290.838988 481877.912131 4423098.702195 487552.705469 4425397.492777 486503.748998 4423562.561757

配准度精度是可以在软件中调节的,配准完成后配准的误差也是可以计算出来的。当计算出来的误差过大或不满足要求时就必须调节,我们从中间挑一个点锁定它,其他的点都不动,移动锁定的这个点,当再次计算误差时会发现不仅该点的误差变化了,其他点的误差也发生了变化。如果单考虑误差的范围,多数情况下移动一个点就能调节过来,但这样显然是不行的,因为这样调节可能是配准误差满足了要求,但控制点的相对位置与实际可能不一样,所以,要对每个点进行如上过程的调节,使误差达到要求的范围而控制点的相对位置又与实际相符合。这是一个非常精细的工作,需要花费相当的精力和时间。我们已经调节好配准精度,使得其误差在允许的范围即5米以内,而且控制点的相对位置与实际的偏差也在要求的范围内。

(五)二维底图的生成

为了更方便地对数据进行管理和维护,使整个地图更有逻辑层次感,我们将地物归类为每一类地物做一个图层,分层绘制。

我们首先要绘制整个燕郊的轮廓图也就是底图,在底图的基础上绘制建筑用地(包括居民区、工业区、学校、企业、医院等),再在建筑用地的基础上绘制建筑物(包括居民楼、办公楼、图书馆、医院、学校和公共设施的位置以及房屋结构等)和草坪(草坪上有绿化带、花坛等),以上是面数据集。然后根据面数据集绘制线数据集,也就是这里的生命线工程(包括道路、铁路、供电线路、暖气管道、供水管道、网线),这些也是核心内容。最后还需要一些点数据集,如安全点、危险点、医院等及一些文字。

整个燕郊地图要包含十几个图层,分别以上述配准完成的栅格图为底图,新建底图、建筑用地、草坪、建筑、生命线工程(包括道路、铁路、供电线路、暖气管道、供水管道、网线)、文字等图层,在地图上逐层绘制,并以googlemap的配色为准做出燕郊的二维矢量图,将大约30 000条数据录入数据库中。

图2 燕郊二维景观图

表1 数据库数据

(六)三维模型的建立

如果每个图层都是平面的,那么三维场景是怎么生成的呢?其实,我们只需给每个图层的每个单位一个高程,整个图就会“立起来”,从而形成三维模型。

为了使三维做出的场景更加逼真和符合实际,需要对三维模型贴纹理。我们在贴纹理前用数码相机对燕郊的每一个标志建筑物、路灯、树木等进行实地拍摄,并将摄得的影像数据导入计算机内存储,采用windows画图工具对照片进行处理,综合运用裁剪、拼接、自由变换、拉伸等一些基本操作,把照片处理成可无缝平铺的贴图。根据试验发现,处理之后的照片保存为JPG格式可以减少数据量,同时,图像的分辨率应调整为2的幂次方,图像的大小应尽量小于100 kB[6]。

没有纹理的三维模型是毫无观赏性的,我们还要将准备好的纹理图片导入三维模型,使之具有纹理,这样看起来更逼真、更符合实际。

图3 燕郊三维景观图(部分)

(七)虚拟漫游场景的建立

本系统虚拟场景的建立使用的是Supermap Deskro三维场景的一个功能模块,该功能模块是一个专业的三维场景生成及实时漫游模块,能够简单、快速地生成三维场景,支持多幅DEM和多张正射影像的同时引入及叠加。首先使用Supermap Deskro输出的SML文件,然后向三维场景中的上述模块中导入该文件,规定镜头高度、飞行速度的数据,开始飞行后镜头将显示漫游燕郊的三维场景。

三、结束语

本文对地理信息系统理论与技术应用于城市管理系统建设进行了有益的探索,并在自身实践的基础上,对城市地理信息系统的结构和功能设计做了一些有意义的尝试,使该系统成为一个比较完善的城市管理系统,能为城市应急及规划等做出贡献。由于本系统在数据库维护、地图上某些区域的精度、纹理协调等功能上还存在一些问题,在今后应做进一步的探讨。

[1]申 蔚.虚拟现实技术[M].北京:北京希望电子出版社,2002.

[2]刘艳秋,赵爱华.基于GIS的校园绿化管理信息系统设计与研究[J].数据库及信息管理,2006,(9).

[3]齐 鲁,聂宜民.GIS支持下的校园基础设施管理信息系统的设计与实现[J].安徽农业科学,2007,(3).

[4]黄 猛,张 震.基于GIS的校园信息管理系统的设计与实现[J].地理与地理信息科学,2010,(5).

[5]徐映雪,王静珊.基于WebGIS的数字校园系统设计与实现[J].北京教育学院学报(自然科学版),2006,(5).

[6]孙贤斌,尹 杰.基于GIS的校园基础信息管理与预测系统研究[J].信息技术,2007,(3).

[7]林 卉,赵长胜,孙建文.数字校园三维建模与仿真的实现与设计[J].测绘通报,2004,(9).

[责任编辑:高 巍]

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